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灰鑄鐵和球墨鑄鐵凝固過程中的幾個要點問題!
點擊數:669     發表日期:2017/4/4

鑄鐵件的最終性能,主要決定于其在凝固過程中形成的組織,例如:灰鑄鐵的熱性能就受其組織中石墨的形態、尺寸和數量的影響,力學性能則取決于初生奧氏體枝晶的數量、石墨的形態和共晶團的尺寸;球墨鑄鐵的力學性能則取決于石墨球的數量、形態,以及基體組織的特點。

灰鑄鐵、球墨鑄鐵的凝固過程包括:初生相(奧氏體、石墨)的析出,共晶轉變和剩余殘液的凝固。

共晶轉變的末期,共晶晶粒與共晶晶粒之間、共晶晶粒與初生奧氏體枝晶之間互相銜接,剩余的低熔點殘液處于晶粒之間的晶界部位,最后凝固。這種殘液在鑄鐵中所占的體積分數雖然很小,但是,其中富集了多種偏析元素和夾雜物,它的凝固狀態可以使鑄鐵件中產生多種晶界缺陷,如磷共晶、晶界碳化物、晶界非金屬夾雜物、畸形石墨、晶間縮松等,對鑄件質量的影響很大。生產過程中影響剩余殘液性質的因素也很多,諸如:鑄鐵化學成分的選定,熔煉用各種原材料的質量,熔煉過程的控制,鐵液的后處理工藝等等。因此,要討論剩余殘液的凝固,決不是一兩個段落所能說得清楚的,這里只能暫且按下不說了。

到目前為止,我們對鑄鐵凝固過程的認識仍然是不夠充分的,很有必要進一步的探索和研究。

一、鑄鐵凝固過程中的生核

鑄鐵是一種碳含量比較高的Fe-C合金,除碳以外,還含有多種其他合金元素。一般低合金鑄鐵中的碳,可以以石墨或Fe3C的形態析出。

高溫的鐵液中,石墨的自由能比Fe3C低得多,較易于直接自鐵液中析出。當然,鑄鐵中的碳也可自固態的奧氏體中脫溶析出。從熱力學方面的分析看來,‘Fe-石墨’系二元相圖是穩定的平衡狀態,所以稱之為Fe-C合金的穩定系。相對而言,Fe-Fe3C二元相圖就是Fe-C合金的介穩定系。

要了解鑄鐵的凝固過程,當然要參照Fe-C合金相圖。通常我們看到的書籍中,Fe-C二元合金相圖,一般都用虛線表示穩定系(Fe-石墨),實線表示介穩定系(Fe-Fe3C)。近年來,有人提出:Fe-C合金相圖中,用實線表示穩定系(Fe-石墨)、用虛線表示介穩定系(Fe-Fe3C),可能更為貼切。

這篇短文,只涉及常用的灰鑄鐵和球墨鑄鐵的凝固,最關心的是石墨的析出,希望鑄鐵在凝固過程中不析出Fe3C,所以圖1中以實線表示穩定系。

圖1 簡略的Fe-C合金相圖(凝固部分)

均勻的液相中結晶析出固相(均質生核),晶核的形成需要很大的表面能。對純金屬而言,在金屬液中均質生核,一般都需要將其過冷到其熔點100℃以下。以這種生核方式結晶、凝固,在實驗室中也許能夠做到,在生產條件下,不可能實現這種結晶、凝固的機制。

實際上,各種鑄造合金的結晶、凝固過程,都起始于異質晶核。一般說來,如果晶核的晶格與凝固體晶格的適配性好,合金液在很小的過冷度下就可以開始結晶、凝固。

1、灰鑄鐵、球墨鑄鐵中硅的作用

單純的Fe-C合金,圖1中涉及的一些臨界點的溫度、碳含量見表1。

在平衡條件下,穩定系的共晶溫度TEG(1153℃),只比介穩定系的共晶溫度TEC(1147℃)高6℃。鑄鐵的凝固過程中,冷卻速率略高一點、過冷度略大一點,就會按介穩定系轉變。實際生產條件下,鑄鐵凝固時冷卻速率都比較高、過冷度較大,如果是單純的Fe-C合金,很容易出現白口。對于生產灰鑄鐵和球墨鑄鐵鑄件而言,凝固過程中碳不能以Fe3C的形態析出,必須使其按穩定系轉變,因而,加入合金元素,擴大TEG和TEC之間的溫度差,是至關重要的。

Fe-C合金中加入硅,可以提高穩定系的共晶溫度,不過這種作用不太明顯,但是,硅卻可以使介穩定系的共晶溫度顯著降低,從而擴大TEG和TEC之間的溫度差。硅的這種作用參見

 

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